Development of Oil Flushing System with Microbubble Generator

마이크로 버블 발생장치와 결합된 오일 플러싱 장치 개발

Abstract

This paper reports the development of an oil flushing system combined with a microbubble generator. Oil flushing plays a crucial role in regulating the lubricant's performance during the lubricant replacement process. Moreover, harmful contaminants, such as sludge, wear particles, and rust, from piping systems or lubrication system can be removed by oil flushing. Oil flushing aims to increase the system's efficiency using a dedicated flushing oil, increasing of the supply pressure and generating a vortex. In addition, it helps the mechanical system or equipment achieve peak performance and reduces the potential for premature failure. However, the contaminant-removal applications of existing oil flushing system are limited. In this research, we aim to improve the performance of oil flushing system by incorporating a microbubble generator, which uses the venture effect to generate microbubbles and mixes them with lubricant. The microbubbles in the blended lubricant remove contaminants from the lubrication system more effectively. Structural mechanics and fluid dynamics are analyzed through fluid-structure interaction (FSI) analysis, and the numerical analysis results are used for the designing the system. The magnitude of the maximum stress is investigated based on the pressure results obtained by the CFD analysis; through the CFD analysis, the mixing ratio of air (bubble) and lubricant is evaluated using the volume of fluid (VOF) model according to the working conditions.

1. 서론

윤활유는 다양한 기계시스템에서 마찰 및 마모 감소의 기능 외에도 냉각, 힘의 전달 등 여러가지 유용한 기능들을 수행한다 [1-3]. 윤활유의 관리는 윤활유를 사용하는 기계시스템의 유지 및 보수 측면에서 아주 중요하다. 윤 활유를 순환하는 시스템에서는 라인 필터를 설치하여 이 물질을 일부 제거하기도 하고 외부 순환 필터를 설치하여 윤활유 저장고나 섬프 탱크의 윤활유를 정제하기도 한다. 그리고 윤활유의 오염도를 정기적으로 점검하거나 윤활유 센서를 기반한 상시 모니터링 시스템을 설치하여 윤활유의 상태를 확인한다 [4]. 이렇게 윤활유의 효과적인 관리는 기계시스템의 내구성과 직접적인 관련이 있으므로 반드시 필요한 절차이다. 윤활유의 사용 기간이 증가할수록 그 성능이 열화되므로 원활한 기능의 수행 및 효과적인 관리를 위해서는 적당한 시점에 윤활유 를 교체해야 한다. 윤활유를 교체하는 과정에서 사용유 (used oil)를 제거하고 신유(new oil)를 주입하기 전에 잔존하는 이물질을 제거하거나 세척하는 작업과 관련된 것 을 오일 플러싱(oil flushing)이라 한다 [5]. Fig. 1은 배 관시스템에서 배관 내벽의 녹(rust)을 제거하는 작업의 전과 후의 모습을 보여준다. 오일 플러싱은 녹 뿐만 아니라 슬러지(sludge), 마모 입자(wear particle), 물 등의 오염물을 제거하여 기계시스템 또는 장비의 성능을 유지하고 잠재적인 고장의 원인을 감소시키는데 효과적이다 . 오일 플러싱을 효과적으로 수행하기 위해서는 전용 플 러싱 오일을 사용하거나 사용 압력보다 조금 높은 압력 으로 순환하여 이물질을 제거한다. 그리고 플러싱 작업을 수행하는데 플러싱 오일이 난류 영역에서 순환하게 하거나 와류(vortex)를 발생시켜 그 효과를 개선하고 있다 [6-8]. 플러싱 오일은 보통의 윤활유에 비해 점도가 낮고 강화된 청정제(detergent)를 포함하고 있다. 그리고 용제(solvent)가 없어 플러싱 후에 새로운 윤활유가 주입되 더라도 윤활유의 기능에 문제가 없게 한다.

Fig. 1. Oil flushing of pipe.

오일 플러싱은 Fig. 2와 같이 발전 및 해양 플랜트, 방위 산업, 풍력발전, 조선, 제지 산업, 건설기계, 철도, 석유화학 산업 등 다양한 분야에 적용하여 기계시스템의 신뢰성을 유지, 보존하는데 기여하고 있다. 하지만 기존의 오일 플러싱 시스템에서 이물질을 제거하는데 한계가 있다. 즉 기계시스템의 곳곳에 산재되어 있는 이물질을 기존의 방법으로는 제거하는데 어려움이 있다. 보다 효과적인 방법으로 플러싱을 수행함으로써 이물질에 의한 손상 방지, 잠재적 고장을 방지하려는 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 기존 오일 플러싱 장치에 마이크로 버블 발생장치를 결합함으로써 배관 내벽뿐만 아니라 윤활시스템 여러 곳에 산재한 이물질을 제거하여 플러싱의 성능을 개선하고자 하였다.

Fig. 2. Industrial applications of oil flushing.

2. 본론

기존 오일 플러싱 장치의 개선을 위해 마이크로 버블 발생장치를 개발하였다. 마이크로 버블 발생 장치를 기존의 오일 플러싱 장치와 결합하여 플러싱 효과를 평가하였다.

2-1. 마이크로 버블 발생 장치에 대한 수치해석

마이크로 버블 발생장치는 벤츄리(Venturi) 효과를 이용하여 마이크로 버블들을 윤활유 순환시스템에 공급하는 장치이다. 벤츄리 효과는 파이프 내부의 유동에서 유체가 단면적이 좁은 영역을 지날 때 압력이 작아지는 현상이다. 이 현상은 연속방정식(continuity equation)과 베르누이 방정식(Bernoulli’s equation)으로 설명될 수 있다 [9]. 마이크로 버블 발생장치를 개발하는 과정에 유동-구조 연성 (Fluid-Structure Interaction, FSI) 해석을 수행 하였다. 이 FSI해석은 1-way와 2-way 방식이 있는데 본 Fig. 1. Oil flushing of pipe. 해석에서는 1-way 방식으로 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics) 해석으로 구조물 내의 압력 분포를 파악한 뒤 이를 이용하여 구조해석을 수행하였다. 해석은 ANSYS 상용 해석 프로그램을 사용하였다.

Fig. 3은 해석 모델을 나타낸다. 해석 모델은 벤츄리 형상을 포함하는 형태로 설계되었다. 해석 모델의 기하학적 형상은 Table 1에 나타난다. 공기관(air tube)은 지름이 5 mm 이고 원주방향으로 10개가 등 간격으로 설치 되어 있으며 윤활유 순환 라인(lube circulation line)과 연결되어 있다.

Table 1. Geometries of numerical model

Fig. 3. Numerical model of micro-bubble generator. (a) component (b) geometries.

압축기를 사용하여 적절한 압력의 공기로 압축하여 공기 관에 공급하고 벤츄리 형상의 윤활유 순환 라인에는 미세한 공기 호스(air hose)를 통해 공기가 공급된다. 이 때 공기가 윤활유에 혼입하는 과정에 마이크로 버블이 발생된다.

해석에 사용된 윤활유의 밀도는 15℃에서 843 kg/m³ 이고 40℃에서 절대점도는 30.5 cSt이다.

우선 CFD 해석을 통해 마이크로 버블의 생성 과정을 살펴보았다. 이때 해석에서는 VOF(Volume of Fluid) 모델을 사용하였고 공기와 액체 윤활유가 공존하는 현상 에서 각상(phase)의 비율을 살펴보았다. 외부에서 5 bar 의 압축된 공기가 공기 호스를 통해 윤활유 순환 라인에 공급되고 입구(inlet)의 오일 유입 속도는 2.243 m/s이고 출구(outlet)의 압력 조건은 대기압이다. 정상상태(steadystate)의 해석을 수행하였다. Fig. 4는 단면형상에 대한 압 력과 속도 분포를 나타낸다. 윤활유 순환 라인의 압력은 단면적이 작아지는 영역 전(前)에는 압력이 높게 나타나 고 단면적이 작아지는 영역에서는 벤츄리 효과에 의해 압력이 낮게 나타난다. 그리고 유체의 속도는 윤활유 순 환 라인과 공기 호스가 만나는 부분에서 최대이다. CFD 에서 구해진 윤활유 순환 라인 내벽에서의 압력 분포는 구조 해석의 경계조건으로 사용된다.

Fig. 4. Pressure and velocity distribution at crosssectional view. (a) pressure distribution (b) velocity distribution.

Fig. 5는 VOF 모델을 이용한 해석 결과로 공기와 윤활유의 비율의 결과를 보여준다. Fig. 5 (b)를 보면 벤츄리 효과에 의해 단면적이 좁아지는 영역 이후에는 공기의 비율이 많아지는 현상으로 마이크로 버블이 잘 형성 되고 있는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 5. Volume fraction of air and lubricant. (a) oil volume fraction (b) air volume fraction.

구조 해석은 CFD 해석 결과로부터 얻어진 압력 분포를 사용하고 Fig. 3에서 air inlet은 공기가 유입되는 방향에 대하여 구속하였고 lube inlet과 lube out은 축 방향으로 구속조건이 주어진 상태에서 해석을 수행하였다. Fig. 6은 구조해석의 결과를 나타낸다. Fig. 6(a)에서 응력의 최대 크기는 0.76 MPa이고 Fig. 6(b)에서 빨간색 점선은 최대 응력의 위치를 나타낸다. 최대 응력이 발생하는 위치는 공기 호스와 윤활유 순환 라인이 만나는 곳이며 최대 응력은 재료의 항복응력보다 작아 문제가 없음을 확인하였다.

Fig. 6. Result of structural analysis. (a) stress distribution (b) position of maximum stress.

수치해석을 통해 설계조건을 확정한 뒤, 제작하여 검정을 위한 실험을 수행하였다. 검정을 위한 실험에서 실제 이물질이 있는 시스템에 대한 실험을 수행하기 어려워 인공의 이물질을 주입하였다. 플러싱 테스트를 수행한 후의 이물질 제거율(회수율)을 기존 플러싱 방법과 비교하였다. 기존의 플러싱 시스템과 개선된 플러싱 시스템의 차이는 마이크로 버블 발생장치의 결합유무이다. 검 정 실험을 위해 윤활유 순환시스템을 설계 제작하고 가동 전에 배관 내부에는 100 g 의 그리트(grit)를 미리 주입을 하였다. 그리트는 Fig. 7과 같이 작은 입자이며 주로 연마제 등으로 사용되나 본 실험에서는 윤활유 순환 시스템의 이물질로 사용되었다. 본 실험에서 사용한 그리트의 평균 지름은 대략 1 mm이고 다양한 형상으로 존재하여 실제 윤활시스템에서는 큰 마모입자에 해당된 다. 윤활유 온도를 60℃로 가열하고 1시간 동안 순환을 시키고 시스템을 정지 시킨 다음, 스트레이너에 걸리진 그리트의 양을 측정하는 실험을 총 3회 실시하였다. Fig. 8 은 실험에 사용한 스트레이너의 모습을 보여준다. Table 2 는 스트레이너에 회수된 그리트의 양에 대한 실험 결과들이다. 회수된 그리트에서 윤활유가 빠져나갈때까지 기다린 후, 그 질량을 측정하였다. 일부 그리트의 표면에 윤활유가 묻어 있을 수 있지만 회수된 그리트의 전체 질량에 크게 영향을 주지 않을 것으로 판단된다. 이때 Case-1은 기존의 플러싱 시스템을 나타내고 Case-2는 기존 플러싱 시스템에 마이크로 버블 발생장치가 결합된 플러싱 시스템을 나타낸다.

Table 2. Results of grit-filtered amount

Fig. 7. Appearance of grit.

Fig. 8. Appearance of strainer. (a) installation hole for strainer (b) strainer (c) filtered grit on strainer.

Case-1의 회수된 그리트의 평균 무게는 77.49 g이고 Case-2의 회수된 그리트의 평균 무게는 90.16 g이다.

즉 마이크로 버블 발생장치가 결합된 플러싱 시스템의 그리트 회수율이 기존의 플러싱 시스템보다 13% 개선되었다. 그리트의 회수율이 크다는 것은 플러싱으로 인해 윤활시스템의 이물질을 효과적으로 제거하여 플러싱 성능이 개선 되었음을 의미한다. Fig. 9와 같은 마이크로 버블 발생장치는 플러싱에 사용되는 윤활유에 미세한 버블을 주입하는 장치이다. 기존 플러싱 시스템의 윤활유는 Fig. 10 (a)와 같으나 마이크로 버블 발생장치가 결합된 플러싱 시스템의 윤활유는 Fig. 10 (b)와 같이 다수의 미세한 버블들이 포함되어 있다. 마이크로 버블 발생 장치로 윤활유에 주입된 미세한 버블들은 순환 과정에 벽면이나 바닥으로부터 이물질을 분리하는 역할을 수행할 것으로 판단된다. 이는 미세한 버블들이 파괴되는 과정에서 벽면이나 바닥의 이물질을 쉽게 분리되는 효과를 가지는 것으로 판단된다.

Fig. 9. Generation device of micro-bubble.

Fig. 10. Presence of bubbles in the lubricant. (a) without bubble (b) with bubbles.

3. 결론

본 연구에서는 윤활유의 교체과정에서 잔존 이물질을 제거하는 플러싱 시스템의 성능을 개선하고자 마이크로 버블 발생장치를 결합한 플러싱 시스템을 개발하였다. 마이크로 버블 발생 장치는 벤츄리 효과를 이용하여 윤활유 순환 라인의 좁아진 영역에는 압력이 낮아져 외부로 부터의 공기 유입을 용이하게 하고 적당한 가압조건을 이용하여 마이크로 버블이 잘 발생하게 하였다. 검증 실험에서는 그리트의 회수(제거)율로 확인한 결과, 기존 플러싱 시스템보다 이물질 제거율이 10% 이상 개선되었다. 이는 윤활유 순환 과정에 미세한 버블들이 파괴되는 과정에 이물질을 벽면이나 바닥으로부터 잘 분리하는 효과를 가지기 때문이다.